一种抗浪节能的无人艇路径跟踪方法技术

本发明专利技术提出了一种抗浪节能的无人艇路径跟踪方法，基于现有的水面无人艇路径跟踪控制方法，增加一个波浪观测模块和一个模糊推理模块；以波浪观测模块检测的浪高和遭遇角作为模糊推理模块的输入；模糊推理模块建立浪高、遭遇角与控制器结构参数的关系，动态调节控制器的结构参数，既保证了无人艇的跟踪精度，又达到了节能的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种抗浪节能的无人艇路径跟踪方法
：本专利技术涉及水面无人艇路径跟踪领域，具体地说，是一种抗浪节能的无人艇路径跟踪方法。
技术介绍
：无人水面艇(UnmannedSurfaceVehicle,USV)是海洋空间智能无人运载器中的一种，是一种能够进入未知或者危险领域执行任务的装备。无人艇的路径跟踪是执行任务的关键技术，无人艇在路径跟踪过程中易受到波浪干扰，为提高抗干扰性能，现有控制方法多采用较大的控制增益，例如一种基于模糊PID的无人水面艇直线跟踪方法，杨钊，申请号：201410027287.7。但这样的方法会增大能源消耗，缩短续航时间。针对该问题，本专利技术提出一种抗浪节能的无人艇路径跟踪方法，在保证跟踪精度的前提下降低无人艇的能耗。
技术实现思路
：为了实现上述目的，本专利技术提出一种变参数的水面无人艇路径跟踪控制方法。本专利技术采取的技术方案是：基于现有的水面无人艇路径跟踪控制方法，增加一个波浪观测模块和一个模糊推理模块；以波浪观测模块检测的浪高和遭遇角作为模糊推理模块输入；模糊推理模块建立浪高、遭遇角与控制器结构参数的关系，动态调节控制器的结构参数，在保证跟踪精度的前提下达到了节能的目的；该方法包括以下步骤：一、设置无人艇的起点和终点，并计算无人艇的导航角；假设无人艇当前位置为G(X,Y)，终点是一个以R(XR,YR)为圆心，R为半径，方向为顺时针的圆形轨迹；P′为无人水面艇所处位置G与圆心R的连线与圆周的交点；lc为过圆周上点P′的切线；根据圆形可视距离LOS导引律可以计算出导航角φlos：其中，为无人艇当前位置与终点的距离；φGR为无人艇当前位置和终点的连线与Y方向的夹角；Δ为导航点Plos和切点P′的距离；Δh为无人艇当前位置和切点P′的距离；β为漂角；φusv为无人艇艏向角；二、利用无人艇搭载的视觉检测功能，根据水面波浪环境具有不同的纹理特性，基于波浪图像的傅里叶变换，通过对不同等级、不同光照条件下波浪图像的频率特性分析，建立一种根据不同矩形环之间能量比的关系来检测波浪浪高和遭遇角；其具体步骤为：1、对采集的彩色图像进行直方图均衡化，以增强图像特征，然后转换为灰度图像；2、对步骤1中的灰度图像进行傅里叶变换，离散的傅里叶变换定义为：其中，f(x,y)是图像的灰度值，x、y为空间域中图像的横、纵坐标轴；F(u,v)是两个实频率变量u和v的复值函数，频率u对应于x轴，频率v对应于y轴，u＝0,1,…,M-1；v＝0,1,…,N-1；傅里叶变换的振幅谱、相位谱和能量谱分别为：其中，R(u,v)，I(u,v)分别表示F(u,v)的实部和虚部；傅里叶变换提取图像特征的常用方法是周向谱能量法，周向谱能量的计算公式为：其中，P(r,θ)是P(u,v)的极坐标表示形式，P(u,v)，θ＝arctg(v/u)，即周向谱能量法是计算一系列同心圆环内能量的和值，这种算法得到的傅里叶周向频率分布图并不能完全反映图像的频率特性，而与图像相近的一系列逐渐变大矩形环内的功率谱能量则可以真正反映出图像的频率特性；3、把步骤2得到的图像功率谱分成I个等宽度的矩形环，能量比分为I级，用Pei表示第i个矩形环内的能量与总能量之比；设图像大小为M×N，图像中心为(M/2，N/2)，则每个矩形环内能量比可以表示为：式中表示第i个矩形环内能量，u，v取值范围分别为：其中，m表示u方向的渐变幅度，n表示v方向的渐变幅度，m，n最大值分别为M、N；4、由步骤3得到的特征量来检测水面的波浪等级；三、以步骤二检测到的浪高和遭遇角作为模糊推理模块输入，建立浪高、遭遇角与控制器结构参数的关系；波浪观测模块的输出浪高H的基本论域为(0,0.2,0.4,0.6)，其模糊子集为{Z，PS，PM，PB}；波浪观测模块的输出遭遇角为ψ，由于顺浪、逆浪时遭遇角对称相等，可将遭遇角转化为同侧并定义遭遇角的论域，模糊子集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；模糊推理模块输出kp论域为(0.3，2，4，6，8，10，12)，模糊子集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；模糊推理模块输出kd论域为(0.1，1.65，3.3，4.95，6.31，7.96，12)；模糊推理模块基于以下表1、表2获得kp、kd模糊输出，经过去模糊化处理得到kp、kd的精确值；表1Kp模糊推理规则表2Kd模糊推理规则四、系统根据步骤三的输出动态调节PD控制器的参数，并通过计算得到无人艇的左侧推进电机的输入电压Ul和右侧推进电机的输入电压Ur，其Ul和Ur的计算方法为：其中，kp、kd为模糊推理模块计算得到的值，ω为波浪的圆频率，U＝12V。附图说明：附图1是波浪干扰下无人水面艇受力分析图附图2是传统控制系统结构框图附图3是本专利技术控制系统结构框图附图4是基于LOS导航的圆形路径跟踪原理图附图5是不规则波干扰下的圆形路径跟踪仿真图具体实施方式：为了使本专利技术实现的技术手段、创作特性、达成目的与功效易于明白了解，下面结合一种实施方案中的双电力推进固定双桨无舵水面无人艇，进一步阐述本专利技术。控制对象：如图1所示为一种实施方案中的无人水面艇的路径跟踪模型原理图，建立无人水面艇波浪干扰环境下的运动模型：其中，m为无人水面艇的总质量；和分别为航速V在附体坐标系X和Y轴上的加速度；fx、fy分别为艇体所受阻力在X和Y轴上的分量；Fl、Fr分别为左侧和右侧螺旋桨的推力；fl、fr分别为艇体左侧和右侧所受的阻力；J为无人水面艇的转动惯量；ω为无人水面艇转动的角速度；为无人水面艇转动的角加速度；d为无人水面艇的宽度；Cω为转动的阻尼系数常量；为波浪在X轴方向的漂移力；为波浪在Y轴上的漂移力；为波浪作用在在无人艇上的力矩。系统结构：如图3所示为基于图1的实施方案中无人艇的控制框图，基于传统的控制方法，比如基于LOS导航规律的PD控制，如图2所示，增加一个波浪观测模块和一个模糊推理模块；以波浪观测模块检测的浪高和遭遇角作为模糊推理模块的输入，通过模糊推理模块建立浪高、遭遇角与控制器结构参数的关系，动态调节控制器的结构参数，当无人艇遇到相对较大的浪时采取较大的增益，遇到较小的浪时采取较小的增益，避免了在现有控制方法中无人船在遇到大浪小浪时都是采取较大增益的问题。波浪观测模块是利用无人艇搭载的视觉检测功能，根据水面波浪环境具有不同的纹理特性，基于波浪图像的傅里叶变换，通过对不同等级、不同光照条件下波浪图像的频率特性分析，建立一种根据不同矩形环之间能量比的关系来检测波浪浪高和遭遇角；其具体步骤为：一、对采集的彩色图像进行直方图均衡化，以增强图像特征，然后转换为灰度图像；二、对步骤一中的灰度图像进行傅里叶变换，离散的傅里叶变换定义为：其中，f(x,y)是图像的灰度值，x、y为空间域中图像的横、纵坐标轴；F(u,v)是两个实频率变量u和v的复值函数，频率u对应于x轴，频率v对应于y轴，u＝0,1,…,M-1；v＝0,1,…,N-1；傅里叶变换的振幅谱、相位谱和能量谱分别为：其中，R(u,v)，I(u,v)分别表示F(u,v)的实部和虚部；傅里叶变换提取图像特征的常用方法是周向谱能量法，周向谱能量的计算公式为：其中，P(r,θ)是P(u,v)的极坐标表示形式，P(u,v)，θ＝arctg(v/u)，即周向谱能量法是计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗浪节能的无人艇路径跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：一、设置无人艇的起点和终点，并计算无人艇的导航角；假设无人艇当前位置为G(X,Y)，终点是一个以R(XR,YR)为圆心，R为半径，方向为顺时针的圆形轨迹；P′为无人水面艇所处位置G与圆心R的连线与圆周的交点；lc为过圆周上点P′的切线；根据圆形可视距离LOS导引律可以计算出导航角φlos：

【技术特征摘要】
1.一种抗浪节能的无人艇路径跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：一、设置无人艇的起点和终点，并计算无人艇的导航角；假设无人艇当前位置为G(X,Y)，终点是一个以R(XR,YR)为圆心，R为半径，方向为顺时针的圆形轨迹；P′为无人水面艇所处位置G与圆心R的连线与圆周的交点；lc为过圆周上点P′的切线；根据圆形可视距离LOS导引律可以计算出导航角φlos：其中，为无人艇当前位置与终点的距离；φGR为无人艇当前位置和终点的连线与Y方向的夹角；Δ为导航点Plos和切点P′的距离；Δh为无人艇当前位置和切点P′的距离；β为漂角；φusv为无人艇艏向角；二、利用无人艇搭载的视觉检测功能，根据水面波浪环境具有不同的纹理特性，基于波浪图像的傅里叶变换，通过对不同等级、不同光照条件下波浪图像的频率特性分析，建立一种根据不同矩形环之间能量比的关系来检测波浪浪高和遭遇角；其具体步骤为：1、对采集的彩色图像进行直方图均衡化，以增强图像特征，然后转换为灰度图像；2、对步骤1中的灰度图像进行傅里叶变换，离散的傅里叶变换定义为：其中，f(x,y)是图像的灰度值，x、y为空间域中图像的横、纵坐标轴；F(u,v)是两个实频率变量u和v的复值函数，频率u对应于x轴，频率v对应于y轴，u＝0,1,…,M-1；v＝0,1,…,N-1；傅里叶变换的振幅谱、相位谱和能量谱分别为：其中，R(u,v)，I(u,v)分别表示F(u,v)的实部和虚部；傅里叶变换提取图像特征的常用方法是周向谱能量法，周向谱能量的计算公式为：其中，P(r,θ)是P(u,v)的极坐标表示形式，P(u,v)，θ＝arctg(v/u)，即周向谱能量法是计算一系列同心圆环内能量的和值，这种算法得到的傅里叶周向频率分布图并不能...

【专利技术属性】
技术研发人员：张山甲，王建华，张程，赵名绘，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海,31